Die Einspeisung eines zunehmenden Anteils erneuerbarer Energien in das Stromnetz ist eine Herausforderung, da erneuerbare Energiequellen von Natur aus unstetig sind: Windturbinen und Sonnenkollektoren produzieren nur dann Energie, wenn der Wind weht und die Sonne scheint. Um dieses Problem zu lösen, hat das ACA-MODES-Konsortium intelligente Regelungssysteme auf regionaler Ebene entwickelt und getestet. Adrian Bürger und Parantapa Sawant waren die technischen Leiter des Projekts an der Hochschule Karlsruhe bzw. an der Hochschule Offenburg. Während des Projekts schlossen sie ihre Promotionen ab und arbeiteten als Postdocs weiter im Projekt.
Unabdingbar: die Anpassung des Stromnetzes an die zunehmende Einspeisung erneuerbarer Energien
Der Europäische Green Deal zielt darauf ab, bis 2050 CO2-Neutralität zu erreichen. Um das Energiesystem zu dekarbonisieren, unterstützt die EU die Entwicklung eines weitgehend auf erneuerbaren Ressourcen basierenden Stromsektors. Dies bringt jedoch neue Herausforderungen mit sich. Erstens muss ein wachsender Anteil der ungleichmäßig verteilten und unsteten Erzeugung eingespeist werden. Wind- und Solarparks sind in Gebieten mit geeigneten natürlichen Bedingungen konzentriert, und ihre Produktion schwankt sowohl saisonal als auch im Laufe des Tages. Um die Stromnachfrage zu bedienen, sorgen die Netzbetreiber dafür, dass die Kraftwerke die richtige Menge Strom zur richtigen Zeit produzieren. Da die Speicherkapazität begrenzt ist, muss das Gleichgewicht zwischen Angebot und Nachfrage ständig aufrechterhalten werden, um einen Zusammenbruch des Energiesystems zu vermeiden. Damit das Netz die durch erneuerbare Energien bedingten Schwankungen des Angebots bewältigen kann, kommen verschiedene Flexibilitätshebel in Betracht: eine bessere Vernetzung der Energiesysteme, die Erhöhung der Speicherkapazität oder die Einrichtung intelligenter Regelungssysteme. Die zweite Herausforderung, die der wachsende Anteil an erneuerbaren Energien mit sich bringt, ist die Änderung der Versorgungsstruktur. Prosumer-Gebäude, die nicht nur Energie verbrauchen, sondern diese auch aus erneuerbaren Quellen erzeugen, werden immer wichtiger. Lokale Netze werden daher eine wichtige Rolle im Energienetz der Zukunft spielen. Dies ebnet den Weg für ein zunehmend dezentralisiertes Stromsystem.
Entwicklung intelligenter Regelungssysteme und Tests im Drei-Länder-Raum
Das ACA-MODES-Projekt zielte darauf ab, die Netzflexibilität durch die Entwicklung fortschrittlicher Steuerungsalgorithmen für Energiesysteme zu verbessern. „Aufgrund der fluktuierenden Natur der erneuerbaren Energiequellen ist eine vorausschauende Steuerung vieler dezentraler Prosumer erforderlich, um Energie auf intelligente Weise zu verwalten. Wir haben uns mit der Koordination solcher Systeme beschäftigt“, sagt Adrian Bürger. Die Arbeit des Konsortiums bestand darin, Algorithmen zu entwickeln und sie dann in der Praxis zu testen. Die Algorithmen sollen Angebot und Nachfrage vorhersagen und das Netz koordinieren und stabilisieren. „Natürlich war dies ein technisches Projekt, das viel mit ingenieurwissenschaftlichen Aspekten von Energiesystemen zu tun hat, aber die Lösungen, die wir gefunden haben, werden zur Lösung von Umweltproblemen beitragen, indem sie den Einsatz fossiler Brennstoffe verringern“, fügt Parantapa Sawant hinzu.
Die vom Konsortium entwickelten Algorithmen wurden dann im Rahmen eines koordinierten Echtzeitbetriebs von fünf Energielaboren am Oberrhein getestet. Die Oberrheinregion mit ihren Energieversorgern und -genossenschaften ist ein interessantes Testgebiet für den grenzüberschreitenden, netzkonformen Betrieb von Energiesystemen. Jedes Labor bestand aus einer Anlage für erneuerbare Energien, Speichern und verschiedenen Komponenten für Heizung, Lüftung und Klimatisierung (z. B. Wärmepumpen, Fotovoltaikanlagen oder solarthermische Kollektoren). „In diesen fünf Laboren haben wir alle typischen Energietechnologien in Gebäuden abgedeckt“, erklärt Parantapa Sawant. „Es war eine Herausforderung, fünf Labore parallel zu betreiben“, fügt Adrian Bürger hinzu. „Wenn wir Tests für die Algorithmen durchgeführt haben, konnte es theoretisch in einem Labor zu einem technischen Ausfall kommen, was für die anderen Labore ärgerlich ist, aber das ist ein Abbild der Realität, denn Ausfälle können jederzeit passieren. Es gibt also einen guten Einblick in die reale Anwendbarkeit“.
Neue Projekte zur Verbesserung der Energieeffizienz am Oberrhein in Planung
Adrian Bürger und Parantapa Sawant arbeiten weiterhin auf dem Gebiet der Energieinformatik. Adrian Bürger ist Mitgründer von PATH TO ZERO, ein Software-Dienstleistungsunternehmen im Energiebereich. Es bietet Optimierungsdienstleistungen an, die Unternehmen helfen, die richtigen Entscheidungen zur Dekarbonisierung zu treffen. Parantapa Sawant ist inzwischen Forschungs- und Entwicklungsingenieur in der Arbeitsgruppe Gebäudetechnik an der Fachhochschule Nordwestschweiz. Sein nächstes Projekt wird sich auf kleinere Systeme konzentrieren, wie z.B. einzelne Wärmepumpenanlagen oder Blockheizkraftwerke, die auf intelligente Weise Energie erzeugen, speichern und verbrauchen können.
Das Projekt ACA-MODES (“Advanced Control Algorithm for the Management of Decentralised Energy Systems“) begann im Oktober 2019 und endete im September 2022. Es wurde von der Europäischen Union im Rahmen des Programms Interreg V Oberrhein und von den französischen und deutschen Regionalpartnern der Initiative „Wissenschaftsoffensive“ kofinanziert und brachte sechs akademische Partner zusammen: die Hochschule Offenburg, INSA Strasbourg, Universität Freiburg, Hochschule Karlsruhe, Hochschule Koblenz und die Fachhochschule Nordwestschweiz. Die Wissenschaftsoffensive: Aufgrund ihres Erfolgs wird die Initiative im Zeitraum 2021-2027 fortgeführt, für den zwei Projektaufrufe vorgesehen sind. Aufbauend auf der Dynamik der grenzüberschreitenden wissenschaftlichen Zusammenarbeit möchten die mitfinanzierenden Partner der Wissenschaftsoffensive nun den Transfer und die Verwertung der Ergebnisse der öffentlichen Forschung unterstützen und den positiven Effekt der wissenschaftlichen Erkenntnisse auf die Unternehmen und die Gesellschaft verstärken, zugunsten der wirtschaftlichen, sozialen und ökologischen Entwicklung der Trinationalen Metropolregion Oberrhein. Der vierte Aufruf der Wissenschaftsoffensive ist seit dem 5. Januar 2023 veröffentlicht (bis zum 24. März) und legt den Schwerpunkt auf den Wissens- und Technologietransfer. Gleichzeitig trägt er somit zur Erreichung der Ziele der Trinationalen Metropolregion Oberrhein (TMO) bei. Alle Informationen zur Wissenschaftsoffensive sind auf der Webseite der Säule Wissenschaft zu finden.